Information, Calcul et Communication

ICC Leçon 1 – Introduction pour SIE
2016 S.Joost
Information, Calcul et Communication
en Sciences et Ingénierie de l’Environnement (SIE)
Dr Stéphane JOOST
Laboratoire de Systèmes d’Information Géographique (LASIG)
Institut d’Ingénierie Environnementale (IIE)
Faculté de l’Environnement Naturel, Architectural et Construit (ENAC)
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Questions
 Pour quelles applications en ingénierie de l’environnement (IE) l’informatique, le calcul, les
systèmes de communication sont-ils utiles ?
 Comment l’accélération technologique que connaît l’humanité se matérialise-t-elle en IE ?
 Comment les systèmes informatiques, le calcul, et les technologies de la communication sont-ils
utilisés dans le cadre des activités d’enseignement et de recherche menées en IE ?
Plus spécifiques
 Quelles formes l’information peut-elle prendre en ingénierie de l’environnement?
quel volume peut-elle représenter? [organiser l’information]
 Comment acquiert-on l’information environnementale? Quand sa transformation est-elle
nécessaire? (par des calculs intégrés dans des algorithmes par exemple) [traiter l’information]
 Sous quelle forme les systèmes de communication sont-ils présents en ingénierie de
l’environnement ? Des réseaux de communication sont-ils nécessaires? Quid de l’interaction hommemachine en SIE? [transmettre l’information]
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Les défis de l’ingénierie de l’environnement
 Défis majeurs pour assurer la pérennité
de notre environnement
 Engendrés par les activités de l’homme sur notre
planète, et par l’impact de ces activités sur les ressources naturelles
 Il s’agit de gérer, de limiter, de réduire ces impacts liés par exemple :
• aux changements climatiques
• à la raréfaction des ressources (eau potable, énergie)
• à la pollution de l’air, du sol, de l’eau
• à la croissance de la population humaine
• À la perte de biodiversité
 Sans les outils et les compétences ICC, les défis mentionnés ci-dessus ne peuvent
pas être relevés
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Exemples présentés selon plan d’étude SIE
Mineurs
Spécialisations
Information
Calcul
Communication
Chimie et bioprocédés
environnementaux
Ingénierie des eaux,
du sol et des
ecosystèmes
Monitoring et
modélisation de
l’environnement
Développement
territorial et
urbanisme
Energie
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Acquisition d’information en ingénierie environnementale
Information
Calcul
Communication
 Réseaux de capteurs pour le monitoring
environnemental
 Mesure de la température de l’air et de celle
de la surface du sol, de la vitesse et de la
direction du vent, de l’humidité du sol, des
précipitations et les radiations solaires
 Haute densité temporelle et spatiale des
données
 Stations autonomes énergétiquement
 Transmettent les informations à une base de
données centrale via réseau sans fil
 Permettant ainsi la visualisation des données
en temps réel via Internet
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MICS
Information
Calcul
Communication
 NCCR MICS – projet national – à l’EPFL, collaboration entre des laboratoires IE
et de la faculté IC
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Systèmes distribués intelligents
Calcul
Communication
 Conception, modélisation, contrôle et optimisation de systèmes intelligents distribués
dans l’espace géographique
 Réseaux de capteurs, plates-formes multi-robots, véhicules intelligents
 Application de ces technologies à des problématiques environnementales
 Modélisation de sociétés mixtes
« artificielles-naturelles »
 Développement d'une méthodologie générale
pour contrôler les sociétés animales en
introduisant des robots ressemblant à
des animaux
 L'objectif est de comprendre comment un niveau
d'organisation biologique collectif peut émerger des
propriétés des comportement individuels
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Ecologie moléculaire
Information
Calcul
 A l’intersection:
• des sciences de l’information géographique
• de la biologie moléculaire
• de la bioinformatique
 Données: environnement géo x génétique géo
 Statistiques: modèles d’association
(régressions logistiques)
 Identifier des régions du génome soumises
à la sélection naturelle
 Au niveau fondamental en biologie de l’évolution
pour mieux comprendre l’adaptation des espèces
à leur environnement local
 A un niveau appliqué en conservation
des ressources génétiques,
préservation de la biodiversité
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Gros volumes d’information (big data)
Information
 Les données en génomique
environnementale
HPC
Calcul Haute Performance
 2004  étude standard
700 marqueurs
génétiques,~120 variables
environnementales, 84’000
modèles d’association
simultanés
 Séquençage intégral du
génome des espèces
étudiées
 2014 
30 millions de marqueurs,
~2 milliards de modèles
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Statistique
Calcul
 Omniprésente en SIE !

 Collecte de données par échantillonnage dans la
plupart des disciplines en environnement, évaluation de
l’incertitude
 Statistique exploratoire
 Calcul des probabilités
 Estimations
 Indices statistiques
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Claude E. Shannon
Calcul
 Parfait exemple pour illustrer l’application du calcul et de la mesure dans le
domaine environnemental
 L’entropie de Shannon, fonction mathématique qui permet de mesurer la complexité et le volume
informatique
 Dans le domaine environnemental, l’indice de Shannon - fondé sur la notion d'entropie - est une
valeur permettant de mesurer la biodiversité
Regional impact assessment on forest
structure and functions under climate
change — the Brandenburg case study
(Lasch et al. 2002)
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Energie éolienne
Calcul
 Simulation des Grandes Echelles
(Large-Eddy Simulation)
 Modèle mathématique pour étudier les phénomènes de
turbulence (dynamique des fluides computationnelle)
 Prédire les mouvements d’un fluide dans
lequel certaines parties ont un mouvement de
rotation sur elles-mêmes
 Principale opération: filtre passe-bas qui
laisse passer les basses fréquences
et atténue les hautes fréquences (traitement
du signal)
Vitesse moyenne
 Grand nombre d'applications en
ingénierie de l’environnement:
énergie éolienne, climatologie,
météorologie, hydrologie, pollution de l’air,
planification urbaine, etc.
Intensité turbulente
Contrainte de cisaillement cinématique
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Modélisation de la localisation d’éoliennes
Information
Calcul
Communication
 Le règlement sur ​l'énergie (Ord 730.1) stipule qu’à
l’emplacement potentiel d’une éolienne…
 … la vitesse moyenne du vent doit dépasser 4,5 m/s
50 m au-dessus du sol en quasi permanence
 Pour trouver les endroits favorables, il faut intégrer:
• les données de vent fournies par les stations météo
(moyennes horaires, quotidiennes,… sur plusieurs années)
• Les infos extraites d’un modèle numérique d’altitude (MNA)
XYZ (résolution spatiale 250 x 250m)
 Extraction de structures topographiques et étude de leur impact
(algorithmes spécifiques: différence de gaussiennes, dérivées
directionnelles)
 Méthodes d’apprentissage statistique (intelligence artificielle)
 Créer un algorithme capable:
• de gérer l'ensemble de tous les comportements
possibles
• d'ajuster un modèle et d’identifier les emplacements les
plus appropriés 
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Généralisation de MNA: la transformée par ondelettes
Calcul
 MNA à haute résolution contiennent beaucoup
d’information et décrivent le micro-relief
 Mais contiennent aussi l’information liée à des échelles
géographiques plus grandes: comment généraliser ?
 Traitement du signal, analyse fréquentielle du relief
 Décomposer un signal suivant les fréquences qui le
composent
 Transformation spectrale de Fourier (globale)
 Méthode de généralisation adaptée:
transformée par ondelettes
 Filtre qui permet l’analyse du spectre local
Applications: géologie,
géomorphologie, identification
de moraines, éboulis, failles,
etc. (multi-échelle)
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2ème décomposition
(résolution: 4m)
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3ème décomposition
(résolution: 8m)
Perte progressive…
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4ème décomposition
(résolution: 16m)
du niveau de détail…
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5ème décomposition
(résolution: 32m)
pour ne conserver…
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6ème décomposition
(résolution: 64m)
en fin de compte…
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7ème décomposition
(résolution: 128m)
que les structures
principales du relief
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Modélisation hydrologique
Calcul
 Modèles géomorphologiques pluie-débit pour représenter la dynamique de génération des crues
 Prédiction du timing et l'ampleur de pics de débits en fonction de précipitations localisées
 Données: MNA, coefficient de conductivité hydraulique du sol, classes d’utilisation du sol
 Simulation de précipitations/débits à l’échelle de bassins-versant
 Algorithme de recherche stochastique capable de fournir des jeux de paramètres optimaux
 Basé sur les méthodes Monte-Carlo par chaînes de Markov (MCMC)
 Méthodes d'échantillonnage à partir de distributions de probabilité
 Cartes prédictives  systèmes d’information géographique sur internet pour diffusion
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Interaction homme-machine
Communication
 Applications SIG sur Internet
 Représentation de l’information,
communication des résultats à la
communauté scientifique vs aux médias
et au grand publique
 Interviews, expériences (eye-tracking)
 Interfaces intuitives adaptées à chaque
type d’utilisateur
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Conclusion
 Le «permis de conduire» informatique est utile à plus d’un titre en ingénierie de
l’environnement
 Les questions environnementales ont pris beaucoup d'importance dans notre société
 La société a besoin d’ingénieurs capables de les gérer, de résoudre les problèmes qui leur
sont liés
 De votre point de vue, il faut garder à l’esprit que:
• Toutes les universités ont développé des programme spécifiques en environnement
• Le marché de l'emploi augmente, mais le nombre de diplômés qualifiés dans le domaine de
l'environnement augmente encore plus vite
• Se sentir à l'aise avec des indicateurs quantitatifs vous donne un avantage pour une activité
profesionnelle future dans la recherche et dans l'industrie
 Pour les diplômés EPFL, une solide formation d'ingénierie est le principal avantage concurrentiel
 Cette formation en SIE repose largement sur les notions que vous allez acquérir dans ce cours ICC
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Bonne suite !
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